Anwendung von piezoelektrischer Sensorik zur Überwachung von Schraubenverbindungen

Die Zustandsüberwachung von Schraubenverbindungen, die durch zyklische Lasten und Umwelteinflüsse beansprucht werden, reicht von händischen Kontrollen in definierten Intervallen bis hin zur kontinuierlichen Messung mit Sensoren im Rahmen des Structural Health Monitorings. Piezoelektrische Sensorik, die auf der Fähigkeit bestimmter Kristallmaterialien beruht, mechanische Deformation in elektrische Signale und umgekehrt elektrische Felder in mechanische Bewegung umzuwandeln (Doppelfunktion: Aktor und Sensor in einem Element), eignet sich zur Detektion verschiedener Schadenstypen wie Vorspannkraftverlust, Rissbildung und Korrosion. Dabei werden schadenssensitive Merkmale für jeden Schadenstyp ermittelt, um die Schadenstypen voneinander abzugrenzen.Im Rahmen anwendungsnaher Forschungsprojekte wurden sowohl numerische Simulationen als auch experimentelle Untersuchungen zur Detektion dieser typischen Schädigungsmechanismen an Schraubenverbindungen durchgeführt. Die eingesetzten Methoden basieren auf der elektromechanischen Impedanzmessung sowie auf Ultraschallverfahren. Die Untersuchungen zielten auf die Identifikation und Quantifizierung von Vorspannkraftverlusten, Rissbildung sowie korrosiven Schädigungen ab. Die Ergebnisse belegen eine hohe Sensitivität der piezoelektrischen Sensorik gegenüber den betrachteten Schadensszenarien und eröffnen neue Perspektiven für ein zuverlässiges, echtzeitfähiges Monitoring von Schraubenverbindungen, das verschiedene Schadensmechanismen simultan erfasst und bewertet.

The condition monitoring of bolted joints subjected to cyclic loading and environmental influences ranges from manual inspections at defined intervals to continuous measurement using sensors within the framework of structural health monitoring. Piezoelectric sensor technology, which is based on the ability of certain crystal materials to convert mechanical deformation into electrical signals and conversely, electrical fields into mechanical motion (dual function: actuator and sensor in one element), is particularly suited for detecting various types of damage, such as preload loss, crack formation, and corrosion. Damage‐sensitive features are identified for each type of defect in order to distinguish these types from one another.As part of application‐oriented research projects, both numerical simulations and experimental investigations have been carried out to detect these typical damage mechanisms in bolted joints. The applied methods are based on electromechanical impedance measurement and ultrasonic testing. The investigations focused on identifying and quantifying preload loss, crack initiation, and corrosive damage. The results demonstrate a high sensitivity of the piezoelectric sensor system to the considered damage scenarios and offer new perspectives for reliable, real‐time monitoring of bolted joints, that simultaneously detects and evaluates different damage mechanisms.